光電探測器是一種將光信號轉換為電信號的設備,然而,當探測器接入電路后,即使沒有任何外來光照射(即全暗條件下),由于熱電子發(fā)射、場致發(fā)射或半導體中晶格熱振動所激發(fā)出來的載流子,也會有電流輸出,這種電流稱為暗電流。暗電流是隨機起伏的,由此在電路中引起的噪聲叫做暗電流噪聲。
當光電探測器工作在光導模式(響應速度更快),暗電流會顯著增大,并與溫度息息相關。溫度每升高10K,暗電流就會成倍增加。施加較大的偏壓會降低結電容,但也會增加當前暗電流的大小,因此在器件選型時需要注意權衡帶寬與噪聲這兩個指標。
另外,當前暗電流也受光電二極管材料和有源區(qū)尺寸的影響。與具有高暗電流的鍺器件相比,硅器件的暗電流通常較小。
圖1:越大的有源區(qū)直徑帶來越大的暗電流;相同的有源區(qū)直徑,制冷能力越強的暗電流越小,來源:濱松G12181系列銦鎵砷光電二極管數(shù)據(jù)單
圖2:可以見到硅探測器的暗電流相對較低,同樣的,越大的有源區(qū)直徑帶來越大的暗電流,來源:濱松S1226系列硅光電二極管數(shù)據(jù)單
圖3:硅雪崩光電二極管,固定工作在偏置狀態(tài)下,有源面越小暗電流越小,倒數(shù)兩個設備大有源面缺擁有更低的上升時間是因為封裝類型的不同,來源:Excelitas 光子檢測解決方案數(shù)據(jù)單
雖然偏置狀態(tài)、有源面面積、結電容、封裝類型等等因素均有不同,但不一樣的材料構成的二極管,在暗電流參數(shù)上總是有規(guī)律可循。下表給出了幾種光電二極管材料及它們的相關暗電流、響應波段。
材料類型 | 暗電流 | 響應波長(nm) |
硅基光電二極管 | 低 | 200-1100 |
鍺基光電二極管 | 高 | 800-1800 |
磷化鎵光電二極管 | 低 | 紫外至可見光 |
銦鎵砷光電二極管 | 低 | 近紅外 |
銦砷銻光電二極管 | 高 | 近紅外至中紅外(截止至5900) |
波長擴展型砷銦鎵 | 高 | 綠光至近紅外 |
碲鎘汞二極管 | 高 | 近紅外至中紅外 |
表1:不同類型材料的暗電流大小定性判斷以及對應響應波長
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